第六節：什麼是量子力學

量子理論不僅與19世紀以前的經典物理學直接相衝突，而其最終根本性地改變了科學家們關於人與物理世界關係的觀點。現在我們簡要介紹一下它的起源。

三百年前，牛頓提出“光”是由微粒組成的。1800年，湯瑪斯揚提出，光像水波浪一樣在空中穿行，證明光是波。1900年，普朗克提出光是以分立的波包形式發射或吸收的，他把這種波包稱為“量子”——自此量子理論跚跚起步了。1905年愛因斯坦發表了一篇論文，解釋了光電效應，證明光是粒子而不是波——今天把光的一個量子叫“光子”。1924年，德布羅意提出與光_樣，電子、質子到原子，一切物質（包括此刻的你）都具有波的屬性。1927年，以尼爾斯•波爾為首的科學家提出互補原理：“我們去看的時候光是粒子，不去看的時候光是波，物質是波粒二象性的。”愛因斯坦對這個理論反駁說：“如果這一定理正確，我寧願去做修鞋匠。”

1935年，以愛因斯坦為首，提出EPR佯謬以證明“波粒二象性”是錯的。1965年約翰貝爾提出了一個強有力的數學不等式（貝爾定理）來證明愛因斯坦是對的。結果，1982年巴黎阿斯派克特小組用鈣原子作的實驗打破了貝爾定理——1995年日內瓦核子物理研究所用光子再次證明了1982年的結果。阿斯派克特的關鍵性實驗，一勞永逸地解決了人們追問的核心問題：物質是什麼？科學家不得不承認：物質既是波，也是粒子。量子理論不是一個或幾個人的功勞，而世界上許許多多的科學家共同研究出的結果。實際至今一百年來，科學家已經在承認“波粒二象性”的前提下（即“先開槍，後瞄準”），為我們發明了太陽能電池、原子彈、電視機、電腦、手機……直至導致今天的科技革命。同時，貝爾定理的被打破，對哲學及相關領域產生了深遠而無法估量的影響。那麼“波粒二象性”是個什麼概念？

第七節：什麼是波粒二象性

一句話：光即是波，又是粒子。下面，以物理學最經典的實驗作一說明。

光是波。科學家用光子槍向帶有一個小孔的紙板發射光子。然後，把另一塊紙板置於第一塊紙板後面以記錄通過小孔的光子。那麼人們就會看到，像水波穿過一個小洞那樣，由光子構成的光子束繞過小孔，形成了一個扇形，並在第二塊紙板上形成了只由水波才有的衍射圖樣，這個圖樣顯示了光的波動性質。當在第一塊紙板上開出第二個孔時，那麼每一個光子的發射，都會在第二塊紙板上形成只有波才能有的獨特性質——干涉圖案。這就是經典的雙縫實驗。以上實驗無可置疑地證明：光是一種波。

光是粒子。當科學家在第一塊紙板的兩個孔上裝上監視器的時候，問題來了。這時就會有一半對一半的概率，看到光子會從一個或另一個孔通過。而打在第二塊紙板上的光不再是波，而是確定的一個光點（粒子）。我們不在小孔上“監視”的時候，一個光子同時會通過了兩個孔，並干涉自己形成干涉圖案。當我們看（通過監視器）的時候，光就會崩潰成了一個確定的“點粒子”。簡單地說，是我們看的行為本身決定了光是什麼。這就是著名的“波粒二象性”。

問題核心是：在20世紀80年代，科學家設法一秒鐘一個地發射電子，使它們通過類似雙孔實驗的一個裝置。利用一個像電視機螢光屏那樣的螢幕來檢測這些電子，並記住每一個電子所形成的亮點。電子是作為一個粒子一個一個地發射的，每一個電子都會在螢幕上留下一個單獨的亮點，這就證明它們確實是粒子。然而，當發射成千上萬的電子通過實驗裝置以後，螢幕上的那些亮點就會組成一幅花樣圖形，而不是兩堆亮點。其形狀同按照經典的波的干涉理論所預言的衍射圖形一模一樣。

要知道，這些電子並不是一起通過試驗裝置的，如果按照量子的時間同比例放大，如同一年才發射一個電子。儘管如此，它們仍然形成了只有波通過兩個孔發生干涉時，才會形成的那種特有的分佈花樣。這情形就像每一個電子不但知道它應該去到花樣圖形的什麼位置，而且也知道在它之前發射的電子已經去了什麼位置，還知道在它之後發射的電子會到什麼位置。對於非科學家的普通人來說，恐怕再也沒有比別的什麼東西能夠像這個實驗那樣，如此清楚地向人們演示量子世界的怪誕和不可思議了。

在實驗室裡，時間間隔很短而發射的光子，會發生干涉效應，而在自然界中，相隔很長時間發射的光子也會發生干涉效應。惠勒實驗的“宇宙學”版本證明了這一點。

在這個實驗裡，“光子”來自於叫做0957+516A，B的雙類星體。在這個遙遠的類星體，我們現在用太空望遠鏡看到的是兩顆恒星，實際上它是一顆恒星。之所以我們會看到兩顆，原因是由於在地球與這顆恒星之間的一個距地球約1/4距離星系的重力場引發“引力透鏡”效應所導致的（按照愛因斯坦的理論，物質的存在使時空彎曲，因而造成了“引力透鏡”效應，也就是強大的星系重力場使得光子在其中傳播的路線發生了彎曲）。這就像我們透過放大鏡看一支蠟燭，在一個角度會看到兩根蠟燭一樣。

這樣，在類星體上同一時間發射的光子，凡是通過引力透鏡而傳播到地球的光子就要多走一段路程以到達地球，而這段路程光子需要5萬年的時間。很簡單，沒有通過“引力透鏡”直接傳播到地球的光子，就要比通過“引力透鏡”的光子早到地球5萬年的時間。

現在我們在地球接收到的光子，雖然在幾十億年就已經從類星體發出了。但是，這些光子還是會引發干涉效應，就好像是在實驗室中相隔幾秒鐘發出的那樣。

由於科學家觀察到了干涉效應，所以人們必須強制自己接受這麼一個事實：想像一個像檯球一樣的光子在10億年前就從類星體出發了。然後，在距今2.5億年的時候，

“它”碰到了那個“引力透鏡”。這時“它”一分為二，一半直接到達了地球。另一半穿過了“引力透鏡”，由於多走了一段路程，就晚了5萬年的時間到了達地球。

然後一個有意識的科學家出現了，他在用望遠鏡看著這個類星體。突然，一個光子被這位科學家的視網膜捕捉到了，讓這個科學家意識到了有這麼一個類星體的存在。

凡是被科學家捕捉到的光子，時間都會被退回到2.5億年前，光子要做重新的選擇。選擇什麼呢？就是在本質上光子不是檯球，它不可能被分為兩半。因為科學家的觀察，光子必須退回到2.5億年前重新作決定，是走“引力透鏡”晚5萬年，還是早5萬年直接到達地球。從另一個角度來說，在2.5億年前，光子就已經知道在以後會有一個科學家在地球等著觀察它。

看到這裡也許你會認為這是宿命論，實際不是。假如科學家不出現，光子就不會被退回到2.5億年前。你不要用邏輯去思考這個問題，因為科學家已經思考了一百多年了，也沒有找到“為什麼是這樣的”。你也不要認為我們現在談論的很愚蠢，實際上量子世界就是這麼“荒謬”。

這是一個光子被確定為粒子的情況。如果這個科學家用的不是望遠鏡，而是一個可以引發干涉效應的實驗裝置。

你就必須接受這麼一個事實：凡是被科學家觀測到了的引發了干涉效應的光子，在2.5億年前必須被分為兩半。它的一半已經在5萬年前就到達了地球；而另一半在科學家做實驗的一瞬間，兩個光子“共同努力”形成了干涉效應。在這裡，時間概念被終結，對於光子來說2.5億年等於一瞬間。空間也被終結，因為凡是沒有被人類意識到的光子，它們都像“立體的”波一樣，可以同時存在於宇宙中的任何地方。